KR20030028802A - 세정 및 코팅제, 이를 이용한 표면처리방법 및 이러한방법으로 처리된 장치 - Google Patents
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Abstract
반도체 장치 등의 금속제 대상물에 대해, 이 대상물 표면의 오염 물질을 제거함과 동시에 표면에 보호층 및/또는 금속층을 매우 효과적이고 능률적으로 형성할 수 있는 표면처리 기술을 제공한다.
본 발명의 세정 및 코팅제는 계면활성물질(예컨대, 팔미틴산, 스테아린산, 올레인산, 미리스틴산, 라우린산 등의 지방산)로 이루어지며, 표면처리 방법은 이 세정 및 코팅제를 고온 활성 상태가 되도록 소정의 온도를 유지하면서 금속제 대상물을 소정 시간 동안 담가둠으로써 대상물을 세정 및 표면 코팅하거나, 대상물의 세정 및 표면 코팅을 시행하는 세정 보호 단계와, 대상물을 용융금속을 포함하는 용액에 담가둠으로써 상기 대상물에 금속층을 형성하는 금속층 형성 단계를 두고, 세정 보호 단계와 금속층 형성 단계를 이 순서대로 반복하거나 세정 보호 단계, 금속층 형성 단계, 세정 보호 단계를 반복하여 시행한다.
Description
본 발명은 표면처리기술에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 전기, 기계, 화학 등의 다양한 분야에 관련되는 장치나 이들 장치의 제조 방법에서, 장치나 장치의 구성 부재(部材) 등을 세정하고, 코팅층이나 보호층을 형성하거나 또는 그 표면에 솔더, 도금 등의 금속층을 형성하는 표면처리 기술에 관한 것이다.
본 발명과 관련 있는 산업분야의 일례로 반도체 장치에 관련된 분야를 살펴본다. 반도체 장치 분야에서는 최근 IC 칩의 소형화, 다기능화, 고성능화 등에 따라, IC 칩을 탑재하는 패키지도 다양한 진화와 변천을 거듭하고 있는데, 그 중에서도 소형화, 박형화(薄型化), 다핀화(多pin化) 등의 요구가 최근의 흐름이라 보여진다. 반도체 장치를 실장하는 LSI 패키지의 구성 부재에 대해서도, 최근 경박단소화와 함께 대상물의 표면 세정과 가공처리에도 많은 기술적인 진보의 요청이 있다.
이러한 반도체 장치의 구성부재와 같이 표면처리가 필요한 전도성 금속제의 대상물에 대해서는, 표면에 산화물 등에 의한 오염물이 생기기가 매우 쉽다. 그래서 대상물의 표면이 더러워진 상태에서 세정을 하지 않고 솔더링(soldering)을 했을 때는, 도전부 형성 부분의 오염이나 접착 불완전 등이 발생하여, 도전 범프부 등의 전도성 접속 구조가 설계했던 대로 형성되지 않아 반도체 장치의 불량으로 이어진다. 따라서, 산화물 등으로 한번 오염된 금속 대상물은 그대로는 사용할 수 없고 대상물의 표면을 세정하여 깨끗한 원래의 표면으로 되돌려야 한다.
표면의 오염을 세정하거나 표면처리를 필요로 하는 대상물로는 여러 분야에 걸쳐서 많은 종류가 있지만, 예를 들면 반도체 장치 분야에서 구리(銅)나 철 등으로 이루어진 전기전도성 부품으로서 도전 와이어, 판상 도체, 프린트 기판, 솔더링용 부재, 솔더링용 도전 부재, 솔더볼 등이 있는데, 이들을 제조하는 과정에서는 표면에 산화물에 의한 오염 물질이 생기기가 매우 쉬워서, 항상 세정과 표면 코팅처리를 고려할 필요가 있다.
본 발명에 따른 표면처리 방법은, 세정 보호용 용액 및 장치 유닛은, 오염 물질이 존재하는 대상물 또는 오염될 가능성이 있는 대상물에 대해, 세정, 솔더링, 도금, 코팅 등에 의한 방법으로 효과적인 표면처리를 하는 것, 또는 그 표면을 처리한 뒤에도 쉽게 오염되지 않도록 하는 기술을 포함하는 표면처리 기술을 개선하는 것을 과제로 하고, 많은 비용을 들이지 않고 더 간단한 처리 공정을 이용해서 효율적으로 단시간에 깨끗하고 환경친화적으로 대상물을 처리하는 기술을 제공함을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명을 설명하는 도면으로, 표면에 금속 산화물이 있는 대상물인 금속체에 대해 팔미틴산 등의 지방산을 고온활성상태로 유지하면서 대상물을 세정하는 공정을 진행하는 과정을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 사용되는 계면활성물질(지방산)의 분자 구조의 일례를 나타내는 구조도이다.
도 3은 본 발명에 의해 대상물 표면에 계면활성물질(지방산)로 이루어진 코팅층이 형성된 일례를 나타내는 구조도이다.
도 4는 대상물에 본 발명에 의한 표면처리방법을 적용하여 코팅층을 형성하는 과정의 일례를 설명하는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 여러 실시예로서 대상물을 용액에 담가서 처리하는 공정을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태로서 단면 구모양의 대상물에 표면처리를 하는 방법의 순서를 나타내는 단면도이다.
도 7은 일반적인 대상물인 금속에 대해서 금속 표면의 오염을 나타내는 단면도이다.
도 8은 대상물(금속) 표면이 부식된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 대상물(금속) 표면의 산화막의 성질을 나타내는 설명도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
A : 대상물 B : 코팅층
10 : 대상물 2 : 오염 물질
14 : 용액(세정 보호 용액) 16 : 계면활성분자
16A : 계면활성분자에 의한 코팅층(막)
30, 40, 50 : 대상물
30a, 40a, 50a : 이동 후 대상물의 위치
30b, 40b, 50b : 이동 후 대상물의 다른 위치
32, 42, 52 : 계면활성물질에 의한 용액
44, 54 : 용융금속에 의한 용액
α1, α2, β1~β4, γ1~γ4 : 대상물의 이동을 나타내는 화살표
36, 46, 56 : 용기(처리조)
53 : 용액 분리벽 60, 70 : 대상물(단면구모양)
61, 71 : 표면의 오염 물질 62, 72 : 깨끗한 표면
63, 73, 75 : 코팅층(막) 74 : 금속층(막)
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 '표면처리 방법, 세정 보호용 용액 및 장치 유니트' 에서는 다음과 같은 수단을 사용했다.
(1) 금속제의 대상물을 세정해서 그 표면에 코팅층을 형성하는 표면처리 방법으로, 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제를 고온활성상태가 되는 소정의 온도로 만들고, 이 유체 상태의 세정 및 코팅제에 상기 대상물을 소정의 시간 동안 담가둠으로써 대상물을 세정함과 동시에 표면 코팅하는 것을 제1 표면처리 방법이라 했다.
본 발명에서 사용하는 세정 및 코팅제는 지방산으로 이루어지며, 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제는 온도가 높아질수록 활성화되는 것이 보통이지만, 본 발명에서는 약 100℃ 이상의 온도에서 액체 상태 또는 초임계 상태의 유체 상태로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 세정 및 코팅제는 그 전부가 계면활성물질로 이루어져 있거나, 또는 계면활성물질과 용매(예컨대, HCFC 141B)로 이루어진 용액이다.
(2) 금속제의 대상물을 세정해서 그 표면에 금속층을 형성하는 표면처리 방법으로, 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제를 고온활성 상태가 되는 소정의 온도로 만들고, 이 유체 상태의 세정 및 코팅제에 상기 대상물을 담가둠으로써 대상물의 세정 및 표면 코팅을 시행하는 세정 보호 단계와 상기 대상물을 용융 금속으로 이루어진 용액에 담가둠으로써 상기 대상물에 금속층을 형성하는 금속층 형성 단계를 두고, 세정 보호 단계 -> 금속층 형성 단계를 연속해서 시행하거나, 또는 세정 보호 단계 -> 금속층 형성 단계 -> 세정 보호 단계를 연속해서 시행하는 것을 제2 표면처리 방법이라 했다.
(3) 제2 표면처리 방법에서,
상기 계면활성물질로 이루어진 유체 상태의 세정 및 코팅제와 상기 용융금속으로 이루어진 용액은, 하나의 용기에 각각 상하 2층으로 분리되어 배치하거나, 또는 두개의 용기로 분리해서 근접시켜 배치된다.
(4) (1) ~ (3) 의 표면처리 방법에 있어서
상기 계면활성물질은 팔미틴산, 스테아린산, 올레인산, 미리스틴산, 라우린산 중 하나의 지방산이다.
(5) (1) ~ (3) 의 표면처리방법에 있어서,
상기 계면활성물질은 팔미틴산으로 이루어지고 상기의 고온활성 상태는 온도를 200℃ ~ 300℃의 온도, 또는 300℃ 이상의 온도로 한다.
(6) 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제에 대해서,
세정 및 코팅제를 고온활성 상태가 되도록 소정의 온도를 설정하고 이 유체 상태의 세정 및 코팅제에 대상물을 담가둠으로써 상기 대상물 표면의 오염 물질을 없애는 세정 수단과, 세정된 상기 대상물 표면에 상기 계면활성물질로 이루어진 코팅층을 형성하는 보호층 형성 수단을 합쳐서 세정 및 코팅제라 했다.
(7) 표면이 세정되어 보호해야 할 대상물을 구성부재로 가지고 있는 장치로서, 상기 대상물은 (1) ~ (5) 의 어느 표면처리 방법, 또는 (6)의 세정 및 코팅제에 의해 처리된 것을 장치라고 했다.
본 발명과 관련된 세정/보호/표면처리를 실시할 수 있는 대상물로는, 다양한 분야에 있어서 장치나 제조 방법에 관해 많은 대상물이 존재한다. 본 발명을 적용할 수 있는 가장 좋은 예를 들자면, 반도체 산업에서 장치 등을 구성하는 반도체 소자나 회로 기판 이외에 동이나 철제 등의 도전 접속 부재, 솔더 볼 등으로 불리는 소형 입체형상의 도전 접속체, 크림 솔더, 솔더 와이어, 아연 솔더, 파우더 제품 전반, 칩 저항, 콘덴서, 각종 금속으로 이루어진 도전 부품 등이 있다.
실시예
이하 첨부 도면을 참조로 본 발명에 의한 세정 및 코팅제, 이를 이용한 표면처리 방법 및 이러한 방법으로 처리된 장치의 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
먼저 도 7을 참조하면, 대상물이 되는 금속 표면의 일반적인 오염을 볼 수 있다. 대기와 같은 일반적인 환경에서 산소와 물은 항상 존재하고 있기 때문에, 금속(M)의 표면에는 산화물 또는 수산화물 층(m1)이 형성되어 있고, 다양한 오염 물질(P1, P2, P3)과 흡착수(m2)가 부착되어 있다. 이들 오염 물질(P)은 무기물(Cl-), 가스(SOx), 유기물(R R R, R-OH) 등을 포함하는데, 이러한 오염 물질로는 예컨대 세정제, 솔더액, 플럭스, 전처리제, 인간의 땀, 부식성 가스, 기름, 포르말린(Formalin), 카본산(Carboxylic Acid), 불화물(Fluarine), 실리콘 등이 있다. 오염 물질은 아무리 깨끗한 환경이라도 미량으로는 존재한다고 생각해도 좋다.
도 8은 본 발명의 대상이 되는 금속 표면의 부식에 의한 오염을 설명하는 단면도이다. 대기 환경에서 산소(O2)와 물(H2O)은 항상 존재하고, 금속과 산소는 친화성이 높기 때문에 금속(M)의 표면에는 산화물층(ml)이 형성되어 있다(도 8의 (a)). 도 8의 (a)에 나타낸 상태에서는 아직 부식이 문제로 되지 않고, 일반적으로 부식에 의한 오염이 문제가 되는 것은 생성된 산화물층(ml)의 일부가 파괴되어 국부적 파괴개소(x)를 만들어(도 8의 (b)), 외견상으로나 전기적 성질, 화학적 성질 등에서 문제가 발생하는 수준으로 성장한 녹슨 부분(X)으로 된 경우(도 8의 (c))이다. 녹슨 부분(X)에서는 전기화학작용으로 2H2O + O2+ e-→ 4OH-, 금속 M → Mn++ e-→ 4OH-가 생긴다. 부식을 촉진하는 인자로는 물, 할로겐을 포함하는 무기(無機) 아니온(anion), 유기산, 잔애 등 많은 것이 있다.
도 9는 대상물이 되는 금속 표면의 산화막 상태의 종류와 그 성질을 나타내는 도면이다. 금속 표면의 산화물층은 부식 반응의 장벽층이 될 수 있다. 알루미늄, 티탄, 크롬은 산화에 대한 활성이 매우 높지만, 형성된 산화물층은 치밀한 막(ml)이 되어 산화 반응은 억제된다. 이 상태를 도 9a에 나타낸다. 이에 비해, 체적수축에 의한 인장응력을 동반하는 다공질(porous) 산화물층(m2, m2a)이 생긴 상태를 도 9의 (b)에 나타내고, 균열 발생을 동반한 산화피막이 생긴 상태(m3, m3a)를 도 9의 (c)에 나타낸다.
도 9의 (d)는 산화물층의 두께(th)와 시간(T)의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 9의 (a) 내지 (c)의 3 종류의 상태를 각각 이 그래프에 적용하여 표현한 것이다. 이에 의하면 치밀한 산화물층으로 이루어진 도 9의 (a)에서는 산화피막이 안정되어 있기 때문에 시간이 경과하여도 그다지 두께가 증가하지 않고 거의 일정한 막 두께를 유지하며, 내식성도 충분히 기대할 수 있는 수준이다.
한편, 다공질 산화물층인 도 9의 (b)에서는 시간이 경과하면 두께 자체도 증가할 것이라고 예측되지만, 대부분의 산화물층이 부식반응에 대해 금속 표면을 보호하는 장벽층이라 할 수 없는 구조로 되어 있기 때문에 내식성은 전혀 기대할 수 없다.
그리고, 균열발생을 동반하는 산화피막이 생긴 상태인 도 9의 (c)에서는, 균열을 동반하기 때문에 불규칙적이지만 시간이 경과되면 그 두께도 어느 정도는 증가한다. 그러나, 산화피막은 일부에 균열이 있기 때문에 금속 표면을 부식 반응으로부터 충분히 보호할 수 없게 되어, 내식성은 그다지 기대할 수 없다.
여기에서, 대상물인 금속이 산화될 때의 체적변화를 나타내는 데이터의 예를 살펴보면, 생성되는 산화물이 Na2O, CaO, MgO인 경우에는 산화물/금속 체적비가 0.6~0/8 정도이므로, 이들 내식성은 그다지 기대할 수 없다. 그렇지만 산화물이 Al2O3, TiO2, Ag2O, Cu2O, NiO, CoO, SiO2, Cr2O3, FeO, WO3인 경우에는, 산화물/금속 체적비가 1.3~3.5 정도로 상당히 커져서 내식성을 기대할 수 있게 된다.
그런데, 본 발명에 의한 표면처리 방법은 대상물을 세정하고 그 표면에 코팅층을 형성하는 세정 및 코팅 단계를 포함하고 있는데, 이 세정 및 코팅 단계는 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제를 고온활성상태가 되는 온도로 유지하면서 이 유체 상태의 세정 및 코팅제에 상기 대상물을 담가둠으로써, 대상물의 세정 및 표면 코팅을 시행하는 단계이다. 지금부터는 본 발명에 의한 대상물의 세정 및 표면 코팅에 대해 설명한다.
대상물의 세정 및 표면 코팅
도 2는 본 발명에 사용되는 계면활성제의 대표적인 분자 구조의 일례를 나타내는데, 여기서 계면활성제는 지방산이다. 지방산의 구조는 분자의 탄소수 12~18의 탄소 원자가 긴 고리 상태로 연결된 친유성(親油性)의 알킬(alkyl)기 (비극성 탄화수소기)와, 물에 용해되어 이온 분해되는 친수성(親水性)의 카르복시(carboxy)기 (극성기)로 이루어져 있다.
도 1은 지방산의 분자 구조를 예컨대 하나의 성냥으로 비유하여 나타낸 것인데, 예를 들면 성냥개비의 머리 부분은 친수성의 극성기이고, 축 부분은 친유성 비극성 탄화수소기에 해당된다.
본 발명의 표면처리 방법에서, 상기와 같은 지방산 등의 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제를 고온활성상태가 되는 온도로 유지하면서 이 유체 상태의 세정 및 코팅제에 상기 대상물을 담가둠으로써, 대상물의 세정 및 표면 코팅을 실시한다.
계면 활성 물질이 고온 활성 상태로 이행해 갈 때의 활성 온도는 물질에 따라 다양하며 그 온도폭도 넓다. 예를 들면, 팔미틴산, 스테아린산, 올레인산, 미리스틴산, 라우린산 등 지방산을 포함하는 계면활성물질은 활성 온도가 120℃~300℃의 범위에 있는 것을 사용하면 공업화하기 쉽고 실용성이 높다. 예를 들면 팔미틴산이 사용될 때 좀 더 적합한 온도는 약 200℃~300℃의 범위가 된다. 그리고, 이 용액의 고온 활성 상태를 유지하기 위해서는 적정한 온도로 설정 유지되는 설비(예컨대, 옴론(omron)사의 온조기)가 필요하다.
또한, 계면 활성 물질을 더 고온인 약 300℃ 이상의 온도에서 사용할 수도 있는데, 이 경우에는 고온 활성은 점점 증가하여 반응성도 높아지지만, 계면활성물질 자체가 자연 발화하는 온도 범위이기도 해서, 이러한 상태에서는 고압력을 가해서 무산소 상태로 만들어서 본 발명을 적용한다. 상당한 고온 상태이기 때문에 그 효과도 높지만 적정 설비와 정확한 관리가 필요하다.
또한, 고온활성 상태에 있는 세정 및 코팅제는 일반적으로는 액체(유체; 流體)이고 높은 밀도를 유지하면서 활발하게 분자 운동을 하고 있으므로, 본 발명에서는 고온 활성 작용이 크게 높아져 있는 상태로 사용하는 것이 바람직하다. 이런 상태라면, 세정 및 코팅제에 대상물을 담가둠으로써 대상물의 세정이나 불필요한 산화물 제거가 매우 효과적으로 이루어져서 그 후의 표면 코팅도 자연스럽게 이루어진다.
이 때, 상기 유체 상태의 세정 및 코팅제에 대상물을 단지 담가두는 것 뿐만 아니라, 더 나아가 대상물에 대한 진동, 요동, 회전, 유수에 의한 힘, 분사력 등에 의한 기계적 또는 물리적인 힘을 가할 수도 있어, 이에 따라 세정 단계를 더 효율적으로 고속화할 수 있다.
또한, 물질에는 기체/액체/고체의 3 종류 외에도, 어느 임계 온도 이상이 되면 압력을 가해도 기화되지 않는 영역이 있는데, 이 상태를 초임계 상태라 부른다. 이 초임계 상태에서는 유체(물질)는 밀도는 액체에 가깝고 점도는 기체에 가까운 상태가 되어, 그 임계활성 작용이 점차 높아져서 본 발명에서는 이 초임계 상태의 온도를 본 발명의 고온활성 상태가 되는 소정 온도로 사용할 수 있다.
본 발명을 적용하여 세정되어 깨끗해진 대상물의 표면에는 지방산 등의 계면활성물질로 이루어진 코팅층이 형성되는 보호층 형성 단계가 진행된다.
이와 같이 세정 단계에서 보호층 형성 단계로 이행하는 것은 별개로 따로 진행되는 것이 아니라, 대상물을 세정액(계면활성물질로 이루어진 용액)에 담가둔 상태이기 때문에 세정 단계가 끝나고 표면이 깨끗해지면 자연히 보호층 형성 단계로 이행되는 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 대상물 표면에 계면활성물질(여기서는 지방산)로 이루어진 코팅층이 형성된 일례를 나타낸 구조 설명도이다. 도 3에서 세정 보호 처리가 되는 대상물(A)은 예를 들면, 구리나 철 등의 금속제로 이루어진 전기전도성 와이어, 프린트 기판, 솔더 볼 등이고, 계면활성물질로는 지방산의 하나인 팔미틴산을 사용한다. 대상물(A)은 계면활성물질인 팔미틴산으로 이루어진 용액을, 그것이 고온활성 상태가 되는 온도로 설정하고, 이 대상물(A)을 용액 속에 담가서 표면의 산화물이나 오염 물질을 제거하는 세정 단계를 진행한다.
여기서, 팔미틴산에 의한 용액에 대해서는, 팔미틴산이 고온활성화되어 사용할 수 있는 상태가 되는 온도는 약 180℃ 이상이기 때문에, 적정 온도로 설정된 팔미틴산 용액이 대상물의 처리에 사용된다. 예를 들면, 온도를 200℃~300℃ 범위에서 선택된 어느 수치로 하고, 이 온도를 일정하게 유지하면서 사용한다. 이 때 처리 시간(침전 시간)은 각각의 대상물의 표면 상태나 재질, 설정 온도와의 균형 유지 등에 대한 각종 조건을 고려하여 수초~수십분의 시간 범위에서 적절히 선택하여 사용한다.
세정되어 깨끗해진 대상물의 표면에는 팔미틴산으로 이루어진 코팅층(B)이 형성되는 보호층 형성 단계가 진행된다. 도 3에 나타낸 코팅층(B)은 팔미틴산의 다수 분자가 같은 방향을 향하도록 배열된 구조로 되어 있고, 분자의 머리 부분은 대상물 표면에 붙어서 표면에 수직 방향으로 다수개가 배향하여 집합 배열되고, 대상물(A)의 표면 전체를 피복하는 것처럼, 코팅층(B) (표면박막층)을 형성한다. 또한, 도 3에 나타낸 구조에서는 대상물(A) 표면상에서 팔미틴산의 화학흡착 상태로 팔미틴산의 단분자막이 형성된 것으로 되어 있다.
이 코팅층 B의 두께는 지방산 등의 계면활성물질의 단일 분자의 두께와 거의 같다. 도 3에 나타낸 것은 지방산의 하나인 팔미틴산의 예로, 팔미틴산 1분자의 길이는 거의 26Å(옴스트롱)이므로, 코팅층 B도 이와 거의 같은 크기의 두께를 갖게 된다. 또한, 팔미틴산 한 분자의 가로폭(표면 수평측의 길이)은 약 5Å으로 이 분자가 다수 응집해서 배향하여 배열되어 코팅층 B가 형성된다.
도 4는 대상물에 본 발명에 의한 표면처리 방법을 실시하여 코팅층을 형성하는 모습을 나타내는 설명도이다. 여기서, 세정 보호될 대상물(10)은 그 표면에 산화물 등에 의한 표면 오염(도시 아니함)이 있다. 대상물(10)은 유체 상태의 세정 및 코팅제(14) 속에 침전(습윤)된다. 여기서, 세정 및 코팅제(14)는 지방산 등의 계면활성물질이 고온 활성 상태가 되는 온도로 설정되어 유지되는 유체 상태이다. 세정 및 코팅제(14)에 대상물(10)을 담그면, 대상물(10)의 표면에 부착되어 있던 표면 오염물에 세정 및 코팅제를(14)이 흡착되어 오염 부분 속까지 세정 및 코팅제(14)가 침투해 간다.
그리고, 세정 및 코팅제(14)에 함유된 계면활성물질(계면활성분자 16)의 작용에 의해, 부착되어 있던 표면 오염 물질(도시하지 않음)이 대상물(10)로부터 이탈되는데, 여기에서는 표면 오염물에 세정 및 코팅제(14)가 침투되어 가는 침투 작용이 크게 작용하여, 계면활성분자(16)가 표면 오염물에 흡착된다. 그렇게 되면, 표면 오염물과 대상물(10)의 계면 에너지가 감소되어, 표면 오염물과 대상물(10)과의 부착력은 감소된다. 이런 상태가 되면, 오염물(12)은 쉽게 벗겨져 세정 및 코팅제(14) 속에 오염 입자(12)로 떠오르게 된다. 이 때, 필요하면 어떤 물리적인 외력(예컨대, 진동이나 교반(agitation), 수류 변화 등)을 가할 수도 있다.
이렇게 하여 표면 오염물이 오염 입자(12)가 되어 대상물(10)로부터 이탈되어 대상물(10)의 표면이 깨끗해지면, 이번에는 계면활성 분자(16)가 대상물(10)의 표면에 차례로 부착된다.
여기서 계면활성물질로 이루어진 용액(14)은 이탈된 오염 입자(12)를 좀 더 작은 입자로 분산시켜 일단 이탈된 분자가 응집하지 않도록 세정 및 코팅제 중에 입자(12)를 안정적으로 유화(乳化) 분산시켜, 다시 오염물이 부착되지 않도록 하는 작용을 한다. 표면오염이 없어진 대상물(10)의 표면에는 계면활성분자(16)가 차례로 배향 배열되면서 부착된다. 그리고, 대상물(10)의 표면 전역에 걸쳐 계면활성 분자(16)에 의한 코팅층(16A)을 생성한다. 이 코팅층(16A)이 형성됨으로써 대상물 표면에는 또 다시 오염물이 부착될 수 없을 뿐만 아니라, 대상물(10) 표면을 보호하여 대상물(10)에 포함된 성분 등이 밖으로 나가는 것도 방지할 수 있다.
또한, 도 4에서 머리부(頭部)와 축부(軸部)로 이루어진 계면활성 분자(16)는 머리부(친수성측)에 오염 입자(12)가 부착되고, 또 머리부가 대상물(10)의 표면에도 부착되는 것으로 나타내었지만, 여기서는 대상물(10)을 구리(銅) 와이어, 구리 프린트 기판으로 하고, 그 산화물 등의 오염을 방지하기 위해서 상기 세정 및 코팅제(14)를 사용하여 본 발명을 적용한 경우로 상정한 것이다. 따라서, 대상물(10)이나 세정 및 코팅제(14)의 성분이 다른 경우에는 계면활성 분자(16)의 부착 모양이 도 4와 다를 수도 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 표면처리 방법의 각종 실시 형태를 나타낸 것으로, 대상물을 유체 상태의 세정 및 코팅제에 담가서 처리하는 경우의 공정이나 그 순서를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 5a에서 금속제의 대상물(30)은 세정되어 그 표면에 코팅층이 형성되는데, 그 표면처리 방법의 공정을 나타낸다.
처리조(또는 용기)(36)에는 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제(32)가 채워지고, 이 세정 및 코팅제(32)는 고온 활성 상태가 되는 소정의 온도로 유지된다. 표면처리되는 대상물(30)은 용기(36)의 상방 개구부에서 상하이동이 가능한 구조로 되어 있다. 대상물(30)은 이동로 α1을 따라 끌려 내려가 세정 및 코팅제(32) 속으로 침전된다(대상물 30a). 소정 시간 동안만 대상물(30)을 세정 및 코팅제(32)에 담가둔 다음, 이번에는 이동로 α2를 따라 대상물을 올려 세정 및 코팅제(32)에서 꺼낸다. 도 5a에서 대상물(30)의 움직임은 외부(대상물 30) -> 세정 및 코팅제(32) (대상물 30a) -> 외부 (대상물 30의 위치)로 되고, 여기서는 표면보호 단계를 실행한다.
도 5b에서, 금속제의 대상물(30)은 표면의 세정, 코팅층의 형성 및 금속층의 형성이 이루어지는 일례와, 그 표면처리 방법의 공정을 나타낸다. 여기서, 금속층의 형성은 디핑(deeping)이나 도금 처리 등에 의해 금속층이나 금속막의 형성이 이루어지는 것을 말한다.
용기(46)에는 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제(42)와 솔더 용액(44) (Pb-Sn 또는 무연(Pb-free) 솔더 등의 용융 금속으로 이루어진 용액)이 상하2단 액층(液層) 배치가 되도록 설정되어 준비된다. 구체적인 구성으로는 팔미틴산 100%로 이루어진 유체 상태의 세정 및 코팅제(42)와 솔더 용액(44)을 사용하고, 고온 활성화되는 온도는 약 200℃ - 300℃ 중에서 여러 조건에 맞게 선택하여 유지 온도를 설정하고, 각각의 유체 속에서의 침전 시간은 수초~수십분 중에서 이것도 여러 조건에 맞추어서 선택하여 유지시간을 설정한다. 여기서 팔미틴산 유체(42)(융점 약 63℃)와 솔더 용액(44)은 액체 상태에서 하나로 섞어도 서로 섞이지 않고, 비중 때문에 팔미틴산 유체(42)가 위층에 솔더 용액(44)이 아래층으로 분리된 2층의 분리 용액층이 된다.
용기(46)에는 계면활성물질(팔미틴산)로 이루어진 세정 및 코팅제(42)(위쪽 액층)와 솔더 용액(44)(아래 액층)으로 상하 근접 2층 분리액층이 존재하여, 팔미틴산으로 이루어진 유체(42)는 고온활성 상태가 되는 소정 온도로 유지된다. 근접한 솔더 용액(44)은 유체(42)의 온도에 영향을 받기 때문에, 유체(42)에 가까운 온도로 유지하는 것이 실용적이지만, 각각 다른 온도로 제어 관리할 수도 있다.
처리되는 대상물(40)은 용액조(46)의 상방 개구부측에서 상하이동이 가능한 구조로 되어 있어, 대상물(40)은 이동로 β1을 따라 내려가서 계면활성물질인 유체(42)에 소정 시간 동안 침전된다(대상물 40a). 다음으로 대상물(40a)은 이동로 β2를 따라 끌려 내려가서 솔더 용액(44)에 일정 시간 다시 침전시킨다(대상물 40b). 대상물(40b)에 솔더링 처리가 가해지면, 이동로 β3을 따라 대상물을 올려 계면활성물질인 유체(42)으로 되돌아가(대상물 40a의 위치), 필요한 시간만큼 담가둔 다음 외부로 배출한다.
도 5b에서 대상물(40)의 움직임은 외부(대상물 40) -> 상층 유체(42) 속 (대상물 40a) -> 하층 용액(44) 속 (대상물 40b) -> 상층 유체(42) 속 (대상물 40a) -> 외부 (대상물 40)로 된다.
이들 공정에서 상층의 유체(42) 속으로 이동한 대상물(40a)에 대해 표면보호 단계가 실행되고, 다음으로 하층의 솔더 용액(44) 속으로 이동한 대상물(40b)에 대해서는 디핑 단계가 실행되며, 또한 상층 유체(42)로 돌아간 대상물(40a)에 대해서는 다시 표면보호 단계가 실행된 다음 외부로 배출된다.
또한, 도 5b에서는 대상물(40)이 표면보호 단계(S1) -> 디핑 단계(S2) -> 표면보호 단계(S3)으로 옮겨가는 과정을 나타냈다.
여기서 대상물(40)의 표면처리에 착안하면, 단계 S1에서 대상물(40)의 표면은 세정되어 신규 코팅막이 형성된다. 다음으로 솔더링 단계 S2로 이동하여 대상물을 솔더 용액(44)에 넣는데, 이 때 대상물의 표면에 붙어 있던 코팅막이 어느 정도 부분은 용액(44)속의 금속에 의해 벗겨지거나 떨어져서 없어지거나, 아니면 막 두께가 극히 얇아져 버리는 것으로 추정된다. 따라서, 대상물(40)의 표면에 새롭게 형성되는 솔더 층은 코팅막의 영향이 없거나 약해지기 때문에 대상물(40)과의 도전적 접속 관계가 매우 양호해서 안정된 막 구조의 솔더 층이 형성된다.
다음으로 대상물(40)(40b)은 아래층의 솔더 용액(44)으로부터 위층 유체(42)로 되돌아가는데, 여기에서 표면에 솔더 층이 있는 대상물(40)(40a)은 새롭게 표면세정이 이루어져 다시 코팅 막이 형성된다.
도 5c는 금속제 대상물(30)을 표면 세정, 코팅층 형성 및 디핑이 이루어지는 다른 예를 나타내며, 그 표면처리 공정을 나타낸다.
용기(56)에는 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제 유체(52)과 솔더 용액(54)을 준비하고, 이들 두 용액은 경계부(53)에 의해 좌우를 다른 통으로 분리하여 보관하고, 유체(52)와 솔더 용액(54)은 전혀 섞이지 않도록 용기의 구조를 만든다. 경계부(53)를 사이에 두고 근접해 있는 유체(52)와 솔더 용액(54)은 서로 온도의 영향을 받기 어렵고 2 종류의 유체를 각각 따로 관리할 수 있어서 온도의 설정과 처리 조작의 면에서 매우 자유롭다.
처리되는 대상물(50)은 처리조(56)의 상방 개구부측에서 상하와 좌우 이동이 가능한 구조로 되어 있어서, 계면활성물질로 이루어진 유체(52)에 의한 세정 보호 단계와 솔더 용액(54)에 의한 디핑 단계를 합쳐서 여러 공정을 실시할 수 있다. 아래에 생각해 볼 수 있는 공정을 열거한다.
(1) 외부에 있는 대상물(50) -> 이동로 γ1 -> 계면활성물질에 의한 유체(52) -> γ4 -> 대상물(50) (외부)
(2) 외부에 있는 대상물(50) -> 이동로 γ6 -> 솔더 용액(54)(대상물50b) -> 이동로 γ5 ->대상물(50) (외부)
(3) 외부에 있는 대상물(50) -> 이동로 γ1 -> 계면활성물질로 이루어진 유체52)속 (대상물 50a) -> 이동로 γ2 -> 솔더 용액(54) 속 (대상물 50b) -> 이동로 γ5 -> 대상물(50) (외부)
(4) 외부에 있는 대상물(50) -> 이동로 γ1 -> 계면활성물질로 이루어진 유체(52) (대상물 50a) -> 이동로 γ2 -> 솔더 용액(54) (대상물 50b) -> 이동로 γ3 -> 계면활성물질로 이루어진 유체(52) (대상물 50a) -> 이동로 γ4 -> 대상물(50) (외부)
(5) 외부에 있는 대상물(50) -> 이동로 γ6 -> 솔더 용액(54) (대상물 50b) -> 이동로 γ3 -> 계면활성물질로 이루어진 유체(52) (대상물 50a) -> 이동로 γ4 -> 대상물(50) (외부)
도 6은 본 발명의 실시 형태로서 대상물의 표면 상태를 설명하는 도면이다. 여기서, 표면처리가 이루어진 대상물(60)(도 6의 (a1))과 대상물(70)(도 6의 (b1))은 그 단면이 원형인 것을 사용하는데, 구체적으로는 구리나 철 등 금속 와이어, 볼 모양의 도전접속체 등을 상정한 것이다.
도 6의 (a1) 내지 (a3)의 설명도는, 앞에서 설명했던 도 5a에 나타낸 공정에 의해, 세정 보호 단계 -> 금속층 형성 단계를 실시했을 때 대상물(60)의 표면상태를 나타내는 일례이다.
여기서 나타낸 대상물(60)은 그 표면에 산화물 등의 오염 물질(61)이 존재한다. 이것을 고온활성 상태에 있는 지방산 등의 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제에 담금으로써 대상물(60) 표면의 오염 물질은 떨어져서 깨끗해지고, 도 6의 (a2)와 같은 표면상태(표면 62)가 된다. 표면 62처럼 깨끗해지면, 그 계면활성물질에 의해 그대로 자연스럽게 표면 전체에 균일한 얇은 막 상태의 코팅층(63)이 형성되고(도 6의 (a3)), 대상물(60) 표면은 전체에 코팅 보호가 이루어져 대상물(60) 표면에서 다른 재료가 노출되는 일은 없게 된다.
또한, 도 6의 (b1) 내지 (b5)에 나타낸 설명도는, 도 5b 또는 도 5c에 의한 공정에 의해 세정 보호 단계 -> 금속층 형성 단계 -> 세정 보호 단계를 실시했을 때 대상물(70)의 표면 상태를 나타낸다.
여기에 나타낸 대상물(70)은 그 표면에 산화물 등의 오염 물질(71)이 존재한다(도 6의 (b1)). 이것을 고온활성 상태에 있는 지방산 등의 계면활성 물질로 이루어진 세정 및 코팅제에 담금으로써 대상물(70) 표면의 오염 물질은 떨어져 깨끗해지고, 도 6의 (b2)와 같은 표면 상태(표면 72)가 된다. 표면 72와 같이 깨끗해지면 그 계면활성물질에 의해 그대로 자연스럽게 표면 전체에 균일한 얇은 막 상태의 코팅층(73)이 형성된다(도 6의 (b3)).
다음으로 대상물(70)은, 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제에서 용융 금속의 용액으로 이동되어 새롭게 금속층(74)이 형성된다(도 6의 (b4)). 앞에서 형성된 코팅층(73)은 상당한 부분이 용융 금속에 의해 벗겨지거나 떨어져서 없어진 것으로 생각되는데, 코팅층(73)이 다소 남아 있다고 해도 솔더링이나 도금을 할 때 금속층이 형성되는 데에는 큰 문제가 되지 않는다. 다음으로, 대상물은 용융 금속의 용액에서 배출되어 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제로 되돌아가, 코팅층(75)이 금속층(74) 위에 형성된다(도 6의 (b5)).
도 6에 나타낸 코팅층을 형성하는 단계(도 6의 (a1), (a2), (a3))와 단계(도 6의 (b1), (b2), (b3))는 대상물(60, 70)의 공모양의 표면 전체가 (1) -> (2) -> (3)의 순서대로 일률적으로 변화되어 진행되는 것이 아니고, 예를 들면, 단계(1)에서 오염 물질이 없는 부분에서는 바로 (2) -> (3)에 이르는 과정의 경과 시간은 서로 다르지만, (3)의 단계에 이르러 표면 전체에 균일한 얇은 막 상태의 코팅층(63, 73)이 형성된다.
본 발명에 의한 대상물의 표면처리 방법에서는, 계면활성물질 중에서도 비누류 등에 들어가는 지방산을 사용하는 것이 실용적이고, 지방산으로는 팔미틴산, 스테아린산, 올레인산, 미리스틴산, 라우린산 중 어느 하나를 사용하는 것이 좋으며, 그 중에서도 팔미틴산이 가장 적합하다. 팔미틴산은 상온에서는 고형물이고 50℃-80℃에서 쉽게 녹고 약 300℃에서는 증발하는데, 180℃-300℃로 온도를 유지하면 고온활성 상태가 유지되기 때문에, 200℃-250℃ 범위의 온도를 사용하는 것이 바람직하다. 발명자의 실험에 따르면, 동판이나 동 와이어 등을 대상물로 하고 팔미틴산을 230℃로 유지하고 여기에 대상물을 30초-1분간 담가두면 효과적인 세정과 보호층 형성을 할 수 있었다.
또한 대상물에 금속층(막)을 형성하는 공정에서, 솔더 용액은 소정의 용융 온도로 유지되고, 예를 들면 Pb-Sn 솔더에 대해서는 융점인 약 183℃ 이상의 온도로 하는 것이 바람직하다. 동판이나 동 와이어 등의 금속층(막)이 형성되는 대상물은 이와 같은 솔더 용액 속에 일정한 시간동안 담가둔다. 이 때, 침전 시간은 1 내지 2초에서 수분 정도가 일반적인데, 이에 구애받지 않고 여러 조건에 맞는 침전 시간을 적용할 수 있으므로, 경우에 따라서는 대상물을 솔더 용액에 통과시키는 것만으로 필요한 침전 시간을 충족할 수도 있다.
도 6에서, 본 발명의 표면처리에 의해 형성된 계면활성물질에 의한 코팅층(63 또는 73)은 이온결합에 의해 카본염으로 된 견고한 일층막(一層膜)이므로, 어느 정도 이상의 두께에서 더 두꺼워지지 않고 일단 막이 형성되면 이 상태에서 고온이 되더라도 용융되거나 끈끈하게 달라붙지 않고 표면은 반질반질해 진다. 발명자의 실험에 따르면, 팔미틴산을 사용한 경우 팔미틴산으로 이루어진 용액에 대상물로 구리 도전기판을 담그면 코팅층이 형성되고, 그 막 두께는 약 26Å 전후가 된다. 이와 같은 한 층의 막이 생기면 이 층 위에 다시 다른 층을 형성하려고 해도 바로 박리되어 떨어져 버리기 때문에 어느 정도 이상의 두께보다 코팅층이 더 두꺼워지지는 않는다.
본 발명에 따른 코팅층의 형성은 사용되는 계면활성물질의 농도에 크게 의존하지는 않지만, 견고한 한 층의 막을 확실하게 생성하기 위해서는 세정 후 헹굼 과정을 거칠 수 있다.
그리고, 본 발명에 의한 공정을 실시한 후 용액은 오염 물질을 많이 포함하고 있는데, 이들 오염 물질을 증유 등의 방법으로 제거하면 용액을 재사용할 수 있다. 따라서, 작업 현장에서는 리사이클링 공정을 포함해서 본 발명을 실시할 수 있으므로 매우 효율적이고 비용 상승도 수반되지 않는다.
여기서 다시 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명을 실시하고 있는 하나의 형태를 나타내는데, 표면에 많은 산화 금속이 있는 대상물인 금속체에 대해 팔미틴산 등의 지방산을 고온활성 상태로 유지하면서 대상물의 세정 단계를 진행하는 과정을 나타내고 있다. 대상물인 금속의 표면에는 오염의 원인이 되는 다량의 산화금속이 비늘 조각 상태로 붙어 있다. 이 대상물 표면의 세정 단계에서는 세정 및 코팅제를 고온활성 온도로 유지하여 지방산의 다수 분자를 임계활성시킴으로써 지방산 분자가 산화금속 주위에 다수 둘러 붙어 에워싸게 만들며 산화 금속을 대상물 표면으로부터 벗겨내어 제거한다.
여기서, 유체 상태의 세정 및 코팅제는 온도 약 200℃ 이상의 고온 상태를 유지함으로써 부착되어 있던 산화 금속에는 열이 가해져 팽창되고 산화 금속 분자 사이가 벌어지기 쉽게 되고, 활성 분자가 그 사이에 들어가기 쉽게 되어 결국 산화 금속은 쉽게 벗겨지게 된다. 한편, 도 1의 세정과 보호막 형성의 원리는 도 4에 나타낸 것과 같다.
본 발명을 적용할 수 있는 대상물은 다양한데, 예를 들면 반도체 소자, 회로 기판, 프린트 배선 패턴, IC 칩, 패키지 기판, 저항, 콘덴서, 크림 솔더, 솔더 파우더 등 많은 반도체 관련 장치나 구성 부품을 들 수 있는데, 이에 국한되지 않고 다른 분야의 대상물에 대해서도 적절히 본 발명을 적용할 수 있다.
예를 들면, 아연 솔더는 활성력이 강하고 플럭스와 반응하여 산화하기 쉬운 성질을 가지고 있지만, 본 발명을 충분히 적용할 수 있다. 또 미소(微小) 치수 입체형상이나 가는 분말로 이루어진 크림 솔더나 솔더 파우더에도 본 발명을 적용하는 것이 매우 쉽다.
본 발명에 의한 세정 및 코팅제, 이를 이용한 표면처리 방법 및 이러한 방법으로 치리된 장치는 산화물 등의 오염 물질이 있는 대상물 또는 오염될 가능성이 있는 대상물에 대해서는, 세정, 솔더(도금), 코팅 등에 의해 매우 효과적인 표면처리를 할 수 있고, 표면처리 후에도 쉽게 더러워지지 않게 하는 기술을 포함하고 있어서, 반도체 장치 등에 사용되는 도전 금속 부재의 표면처리 기술을 혁신적으로 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 많은 추가 비용이 들지 않고 좀 더 간단 명료하고 합리적인 처리 장치 또는 공정을 사용해서 효율적이고 단시간에 깨끗하고 친환경적인 표면처리 기술을 제공할 수 있다.
Claims (12)
- 금속제 대상물을 세정하고 그 표면에 코팅층을 형성하는 표면처리 방법으로서,계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제를 고온 활성 상태가 되도록 소정의 온도를 유지하면서 상기 세정 및 코팅제에 상기 대상물을 소정 시간 동안 담가둠으로써 대상물을 세정 및 표면 코팅하는 표면처리 방법.
- 금속제 대상물을 세정하고 그 표면에 코팅층을 형성하는 표면처리 방법으로서,계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제를 고온 활성 상태가 되도록 소정의 온도를 유지하면서 상기 세정 및 코팅제에 상기 대상물을 소정 시간 동안 담가둠으로써 대상물의 세정 및 표면 코팅을 시행하는 세정 보호 단계와,상기 대상물을 용융금속을 포함하는 용액에 담가둠으로써 상기 대상물에 금속층을 형성하는 금속층 형성 단계를 두고,상기 세정 보호 단계와 금속층 형성 단계가 이 순서대로 반복하여 시행되는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
- 금속제 대상물을 세정하고 그 표면에 코팅층을 형성하는 표면처리 방법으로서,계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제를 고온 활성 상태가 되도록 소정의 온도를 유지하면서 상기 세정 및 코팅제에 상기 대상물을 소정 시간 동안 담가둠으로써 대상물의 세정 및 표면 코팅을 시행하는 세정 보호 단계와,상기 대상물을 용융금속을 포함하는 용액에 담가둠으로써 상기 대상물에 금속층을 형성하는 금속층 형성 단계를 두고,상기 세정 보호 단계, 금속층 형성 단계, 세정 보호 단계를 이 순서대로 반복하여 시행하는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
- 제2항 또는 제3항에서,상기 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제는 상기 용융 금속을 포함한 용액과, 하나의 처리조에 각각 상하 2층으로 분리되어 배치되는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
- 제2항 또는 제3항에서,상기 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제는 상기 용융 금속을 포함한 용액과, 2개의 처리조에 분리되어 배치되는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,상기 계면활성물질은 팔미틴산, 스테아린산, 올레인산, 미리스틴산, 라우린산 중 어느 하나의 지방산인 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,상기 계면활성물질은 팔미틴산이고, 상기 고온 활성 상태가 되는 소정의 온도는 200℃~300℃의 온도인 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,상기 계면활성물질은 팔미틴산이고, 상기 고온 활성 상태가 되는 소정의 온도는 고압력 무산소 상태에서 300℃ 이상인 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,상기 세정 및 코팅제에 담가둔 대상물에 대해 진동, 요동, 회전, 유수, 분사력 중 어느 하나의 외력을 가하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
- 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제로서,고온활성 상태로 유지된 온도에서 이 세정 및 코팅제에 금속제 대상물이 침전된 경우 대상물 표면의 오염을 제거하는 세정 수단과,세정된 상기 대상물 표면에 계면활성물질로 이루어진 코팅층을 형성하는 보호층 형성 수단을 포함하는 세정 및 코팅제.
- 제10항에서,상기 계면활성물질은 팔미틴산, 스테아린산, 올레인산, 미리스틴산, 라우린산 중 어느 하나의 지방산인 것을 특징으로 하는 세정 및 코팅제.
- 금속제 대상물을 구성 부재로 포함하고 있는 장치로서,상기 금속제 대상물은 고온활성 상태의 계면활성물질로 이루어진 세정 및 코팅제에 이 금속제 대상물을 담금으로써 상기 대상물 표면의 오염이 제거되고 표면에 계면활성물질로 이루어진 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
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